SPI通信中采用光耦隔离的意义与措施

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spi通信中采用光耦隔离的意义与措施本文关键词：信中，隔离，采用，意义，措施

文摘：SPI（serial peripheral interface，串行外围接口）总线系统是一种同步串行外围接口，广泛应用于单片机与各种外围设备之间的串行通信以交换信息。SPI总线可直接与各厂家生产的各种标准外围设备连接。光耦简称光耦。光耦隔离是通过光耦隔离电信号。光耦的结构类似

spi通信中采用光耦隔离的意义与措施本文内容：

文摘：SPI（serial peripheral interface，串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，广泛应用于单片机与各种外设以串行方式进行通信以交换信息。SPI总线可直接与各厂家生产的各种标准外围设备连接。光耦简称光耦。光耦隔离是利用光耦隔离电信号。光耦的结构相当于将发光二极管和光敏三极管封装在一起，使电路的隔离两部分通过光耦中的光发射信号，使电路的隔离两部分之间没有直接的电气连接，以防止电气连接引起的干扰和损坏。光耦隔离方式以其隔离耐压高、抗干扰能力强、成本低等优点被广泛应用于各种隔离电路中。

关键词：spi通讯;光耦隔离;

SPI是一种高速、全双工、同步的通信总线，芯片引脚最多只占用四条线，节省了芯片引脚。另外，主从设备在通信时使用主设备提供的时钟信号，通信可靠。现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。在一些需要隔离的电路中进行SPI通信时，利用光耦隔离信号是目前一种可靠、经济、有效的方法。但在实际应用中，由于光耦传输延迟大，电流传输比CTR值离散，光耦中LED发光强度减弱，不仅会造成不可预知的故障和隐患，而且容易造成不可弥补的经济损失。因此，研究光耦隔离方式对SPI通信的影响具有重要意义。

1、光耦传输延时对spi通信的影响

接下来，以SPI的时钟波形为例，简要分析光耦延迟特性对SPI通信的影响，如图1所示：R35=1KΩ，r24=1KΩ，室温测试，图中使用的光耦型号为台湾某品牌el816d，电流转移率（简称CTR值）为300%-600%。在图1中，DVD和VDD均为5V，光耦的VF约为

1.2V。可以计算出if=（5v-1.2v）/1K=3.8ma，IC≈ 5V/1K=5mA，实际

IC/if=5mA/3.8ma=132%。从图2可以看出，在常温下，光耦输出端的MCLK信号比输入端的metericclk信号延迟约40us，即光耦的断开延迟时间toff约为40us（示波器中的上升延迟），而光耦的开启延迟（示波器中的下降延迟）要小得多，与toff相比几乎可以忽略不计。在高温环境下，光耦的toff值较大。在SPI通信中使用光耦隔离时，SCLK和miso信号的光耦延迟被叠加。导致SPI通信速率难以提高的主要因素是光耦的断开延迟时间toff。在不隔离的情况下，SPI的通信速率可达10MB/S；使用光耦隔离后，由于光耦断

开延迟时间toff的影响，SPI的通信速率只能降低到几KB/s；它只能达到最高比率的千

分之一左右。

图1(clk信号的隔离原理图）

图2信道1（黄色）metericclk的波形；通道3（紫色）MCLK信号波形

2、光耦的ctr值衰减是产品寿命的重要考量因素

由于光耦通过光进行信号传输，光耦内部的LED发光强度会随着长时间运行而逐渐降低。光耦工作电流越大，环境温度越高，使用寿命越短。在25℃下，当if=5mA时，CTR

值下降20%需要350000小时，而当if=10mA时，CTR值下降20%只需要100000小时；在

10mA下工作的光耦使用寿命仅为5mA的三分之一。在55℃时，当光耦工作在10mA时，CTR值仅需40000小时即可降低20%；使用寿命仅为常温环境下的40%。因此，在使用光耦隔离和传输SPI信号时，应充分考虑光耦CTR衰减对产品使用寿命的影响。这种影响是极

其隐蔽和有害的，常常被产品设计师忽视。

3、减小光耦对spi通信影响的主要措施

（1）选择合适的电流传输比CTR值可以有效减少光耦的延迟时间。当图1中的R24

为2K时，if=（5v-1.2v）/1K=3.8ma，IC≈ 5V/2K=2.5mA，IC/if=76%。光耦的关闭延迟

时间toff约为20us，减少一半。因此，在电路中匹配合适的参数可以有效地降低toff值，提高SPI的通信速率。

(2）根据光耦的延时特性，通过调整sclk信号的占空比，可以有效提高spi的通信

速率和产品可靠性。由于惯性思维，设计人员往往将信号的占空比设置为50%，即信号的

高电平和低电平持续时间一致。由于光耦对信号的延时主要是由于toff值的影响，而导

通延时ton相对于toff延时几乎可以忽略。如下图所示，通过提高信号的占空比，在spi 传输波特率保持不变的情况下，通过减少低电平的持续时间来延长高电平持续时间，用以

抵消光耦toff延时时间，在不降低spi通信速率的情况下，可以有效减少光耦toff值对spi通信的影响，从而有效的提高了spi通信的可靠性。

4.结论

本文讨论了光电耦合器隔离对spi通讯方式的影响。通过深入分析光耦的特性，在设

计产品时通过配置合适的电流传输比ctr值或调整信号占空比，可以有效提高spi通讯的

可靠性，也可避免光耦在长期运行或者高温环境下由于ctr值的衰减而导致产品出现批量

故障，避免给企业及社会造成不必要的经济损失。

参考

[1]基于f28m35的电池管理系统开发平台研究[d].华南理工大学，2021. [2]孙丞.光电隔离spi接口冲击分压器[j].化工自动化及仪表，2021,43(12):1310-1313.

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